基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺

摘要

本发明涉及一种基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺，属于材料加工工程领域。一种基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺，包括以下步骤：将待焊工件通过夹具固定在工作平台上；使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动传递到工作平台；确定待焊工件的共振频率和振动加速度；通过对待焊工件进行激光焊接试验，确定待焊工件所需的焊接工艺参数。本发明可大幅提高振动频率，可灵活改变激振方向，且采用电压控制输出幅值和频率，易于进行自动化控制来降低成本。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，特别涉及一种基于电磁式激振器的高频微 振激光焊接工艺。

背景技术

激光焊是以高功率密度激光束作为热源进行焊接的一种高能束焊接方法。 其原理是将聚焦后的激光束照射到工件表面，与被焊金属相互作用产生热能， 熔化后的金属又经历冷却阶段，焊料与焊件结晶后形成焊接。激光焊较之传 统焊接方法具有能量密度高、焊接速度快、焊接热影响区小、焊缝晶粒细小、 接头质量高等特点，故工程中被广泛应用。

振动焊接是由振动时效发展而来的一项技术。经国内外学者的大量研究和 试验，证明了振动焊接除了能显著降低焊件的残余应力之外，还能改变焊缝 组织并细化焊缝晶粒、减小焊缝中气孔与夹杂等缺陷以及提高焊件的疲劳寿 命等。

激光焊接优点鲜明，但依然存在一定的焊缝气孔、焊接残余应力和焊接变 形。又由于激光焊接头组织多为联生柱状树枝晶，熔池两侧枝晶在熔池中心 相遇时，其结合性能较低；加之柱状晶本身性能存在各向异性，致使焊缝综 合机械性能变差。反观振动焊接，目前国内外的相关研究与应用主要集中在 低频条件，且主要应用于传统弧焊方法中。

目前围绕振动焊接技术及工艺已形成以下专利：

1.最佳振动焊接的方法和系统(专利公开号CN101898275A)，公开了一 种在形成组件中的振动焊接接头期间使所述组件中的机械共振最小化的方 法，在焊接接头形成期间控制信号的变化使机械振荡的波形特性改变，从而 使机械共振最小化。

2.振动焊接技术(专利号：CN1943968)，公开了一种振动焊接技术的详 细操作方法，使施焊操作方便、焊接效果好，焊接时可采用较大电流，以提 高焊接速度及效率；它适用于各类焊接构件。

现有技术给出的上述方案相较于传统焊接方法虽能起到明显的细化焊缝 晶粒、降低焊缝残余应力以及提高焊件疲劳寿命等优点，但正如上述方案中 所提及的，目前的振动焊接主要是以偏心轮激振器的转动来提供激振力。由 于是依靠电机的驱动，故难以大幅提高振动频率；且偏心轮是以圆周方向转 动，其振动能量较为分散且方向不固定。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种基于电磁式激振器的高频振 动激光焊接工艺，可大幅提高振动频率，并可改变振动方向。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于电磁式激振器的高频振动激光焊接工艺，包括以下步骤：

将待焊工件通过夹具装夹在工作平台上；

使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；

使用电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动传递到工 作平台；

大致确定待焊工件所需的振动频率范围，使用函数信号发生器在该振动频 率范围内进行扫频，找到工作平台、待焊工件和电磁式激振器的共振频率；

在待焊工件的共振状态下，调整函数信号发生器的输出电压幅值以改变电 磁式激振器的输出功率；同时，使用测振仪对待焊工件的振动加速度进行监 控，找到适合待焊工件的振动加速度；

在确定共振频率和振动加速度后，再通过对待焊工件进行激光焊接试验， 确定待焊工件所需的焊接工艺参数。

其中，所述测振仪还同时对工作平台的振动加速度进行监控。

其中，还包括通过调整函数信号发生器的输出电压幅值来对电磁式激振器 的电压和电流进行控制。

其中，所述待焊工件在装夹后焊接前，先要进行打磨去除表面氧化层及污 渍，然后用丙酮清洗，自然风干。

本发明的有益效果为：

1)使用电磁式激振器代替现有的机械离心式激振器，从而大幅提高了振 动频率，通过高频振动更高效地破碎熔池中的柱状树枝晶，并通过振动搅拌 熔池，降低熔池的温度梯度，进一步阻碍柱状树枝晶的生长，同时促进等轴 晶的形成，达到细化晶粒，提高激光焊接接头的综合性能的目的。

2)相比于现有振动焊接相关专利中由于激振方向为二维圆周平面致使材 料内部残余应力消除效果不甚理想之缺点，本发明可通过改变振动力的方向 进一步消除材料内的残余应力。

3)电磁式激振器的振动频带约为100Hz-1500Hz，较机械离心式激振器约 为7-100Hz宽得多，同时激振频率连续可调。因而，对于不同重量的待焊工 件，电磁式激振器可提供不同频率的振动，而且可通过函数发生器和加速度 传感器进行简单的扫频测试，以找出最佳的共振频率。

4)本发明采用电压控制信号幅值和频率，易于进行自动化控制来降低成 本。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为试样编号1的光学显微图像。

图3为试样编号2的光学显微图像。

图4为试样编号3的光学显微图像。

图5为试样编号1的扫描电镜图像。

图6为试样编号2的扫描电镜图像。

图7为试样编号3的扫描电镜图像。

图8为试样编号1-3的显微硬度，其中横坐标为距焊缝中心线的距离， 单位mm；纵坐标为显微硬度，单位HV。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

本实施例在工作平台上对170(长)×100(宽)×3(厚)mm的316L奥 氏体不锈钢板采用IPG YLS-5000高功率光纤激光器进行激光自熔焊，其具体 操作按照图1中所示的步骤进行。

S1：待焊工件的装夹和表面处理

将垫板和不锈钢板刚性固定于工作平台的正中央，垫板和不锈钢板之间 用钢块架起隔开，以防不锈钢板与垫板焊连。对不锈钢板的表面用100#粗砂 纸进行打磨，去除表面氧化层及污渍，以防止焊接时熔池出现夹杂和气孔， 最后用丙酮清洗，自然风干。

S2：搭建振动平台并确定振动频率和振动加速度

使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号。其中，函数信号发生 器可具体采用Tekronix AFG3022B函数信号发生器；功率放大器需与电磁式 激振器阻抗相匹配，可具体采用GF-300W功率放大器。

电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动传递到工作 平台。利用函数信号发生器对电磁式激振器的电压、电流和振动频率进行监 控，同时使用测振仪对工作平台的振动加速度进行监控。

先大致确定待焊工件所需的振动频率范围，使用函数信号发生器在该振 动频率范围内进行扫频，找到工作平台、待焊工件和电磁式激振器的共振频 率。

在待焊工件的共振状态下，调整函数信号发生器的输出电压幅值，由于 电磁式激振器阻抗一定，故其输入电流也随之改变，即调整电磁式激振器的 输出功率；同时，使用测振仪对待焊工件的振动加速度进行监控，找到适合 待焊工件的振动加速度。

特别地，为保证电磁式激振器能较长时间工作而不至于烧坏电磁式激振 器的激振线圈和功率放大器，电磁式激振器的输入电流不得大于15A。

S3：确定焊接工艺参数

对被焊工件进行激光功率、焊接速度及离焦量试验，以确保焊透的同时 焊缝成形美观且无塌陷等缺陷。通过多次试验，确定焊接工艺参数。

为突出高频振动的特性，选取振动频率f为0Hz、702Hz和1467.5Hz，如 表1所示。

表1试验参数

表1中的三组试样的光学显微图像分别如图2-图4所示，扫描电镜图像 分别如图6-图8所示，以上图像都为放大1000倍后的图像。由图2-图4可 明显地看出，在焊接参数一致的前提下，通过增加振动频率可明显细化焊缝 区的晶粒，且外加的振动频率越高，熔池的晶粒越细小。由图5-图7可知， 机械振动不但可明显抑制熔池柱状树枝晶的生长，还有助于焊缝中等轴晶的 形成，并且振动搅拌使等轴晶弥散分布于焊缝中。

由图8可知，随着振动频率的增加，焊缝区的显微硬度显著上升，其值 由未振动时的196.7HV提高到振动频率为1467.5Hz时的207.1HV，平均值提 高约5.5％。

以上所述为本发明的较佳实例，但本发明不局限于该实施例所公开的内 容。凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保 护范围。